Laboratorio 2B A.A. 2012/ Ottica Fisica II. Assorbimento Sorgenti luminose LED Diodi laser. Lab 2B CdL Fisica

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1 Laboratorio 2B A.A. 2012/ Ottica Fisica Assorbimento Sorgenti luminose LED Diodi laser

2 Spettrofotometria: assorbimento ottico La spettroscopia può fornire informazioni sulla natura degli atomi. Esempio: «spettro a righe» dovuto alla emissione luminosa dovuta ad una scarica elettrica in gas (es. He). Tuttavia le cose si complicano quando si ha a che fare con agglomerati più complessi di atomi, come molecole e solidi.

3 Assorbimento ottico - 2 Modello fisico L assorbimento avviene quando l energia posseduta da un fotone viene assorbita da un elettrone del materiale irradiato determinando una transizione verso uno stato energetico superiore (eccitato) Poiché le energie coinvolte sono quantizzate (fotone ed elettrone), cioè assumono valori discreti, si osservano solo alcune specifiche transizioni (permesse). 34 E hv h J s ~ nm ~ 115 nm ~ nm ~ nm

4 Assorbimento ottico - 3 h * Quindi ci aspetteremmo uno spettro di assorbimento di questo tipo, ma Questo non avviene!

5 Assorbimento: Forme di riga (Lineshape) La causa risiede nel fatto che le molecole sono in continua rotazione e vibrazione. Ciascuno stato rotazionale o vibrazionale modifica leggermente l energia della transizione. La distribuzione su questi stati avviene su base statistica. Quindi la forma di riga del nostro spettro di assorbimento è (per esempio) normalmente distribuita.

6 Assorbimento: Forme di riga - 2 L assorbimento è una proprietà additiva, cioè lo spettro complessivo è la somma delle singole forme di riga (es. Gaussiane) associate con ciascuna transizione. Questo può rendere l analisi di soluzioni complesse piuttosto complicata, in particolare rispetto alle intensità relative di ciascuna componente.

7 Legge dell assorbimento di Lambert Lambert descrisse come l intensità luminosa si modifica man mano che la radiazione procede all interno di un mezzo materiale. n un mezzo uniformemente assorbente l intensità luminosa diminuisce proporzionalmente alla distanza percorsa. E il risultato del fatto che un fotone ha una probabilità fissata di essere assorbito durante il suo percorso nel mezzo. La costante di decadimento lineare α è una caratteristica del mezzo. Ha le dimensioni del reciproco di una lunghezza. α è la distanza per cui l intensità è attenuata fino a 1/e. d dx d d e 0 x x (x) 0 l ( x) 0 e x α x Johann Heinrich Lambert e l

8 Legge di assorbimento di Lambert (base 10) Tipicamente la base 10 viene utilizzata in spettrofotometria. x kx 0e 010 k ln10 0 x kx e 10 k è la distanza lungo cui l intensità è attenuata di un fattore 1/ kx

9 Legge di Lambert: esempio Se una lamina di materiale assorbente di spessore l riduce a metà l intensità del fascio di luce, l k Tre lamine ridurranno di un ottavo l intensità del fascio di luce. Allora due lamine dello stesso materiale assorbente ridurranno di un quarto l intensità del fascio di luce l k α 0 l α 0 l α l l k α l α l α 0 l

10 n altri termini: Legge di Beer Beer trovò che, per una soluzione di una sostanza assorbente, la costante k del decadimento lineare di Lambert è linearmente dipendente dalla sua concentrazione c, attraverso l estinzione molare ε specifico della sostanza. La costante di decadimento lineare k è lineare nella concentrazione c con una costante di proporzionalità ε. k c Unità di misura: k cm 1 ; c M (moli/litro); ε M 1 cm 1 Un assorbitore colorato presenta una estinzione dipendente dalla lunghezza d onda ε(λ). L estinzione molare è una proprietà fondamentale di una sostanza. Questa è la proprietà che contiene l informazione spettroscopica osservabile che si può collegare al modello terico microscopico per l interazione radiazione materia (sezione d urto di assorbimento).

11 Quantità Fotometriche n fotometria misuriamo l intensità della luce ed analizziamo i cambiamenti determinati da oggetti e/o sostanze. Questa variazione è tipicamente espressa come trasmittanza percentuale o assorbanza. Trasmittanza (T) Utilizzata quando l attenzione è concentrata sulle caratteristiche del fascio di luce T 0 Usualmente data in percentuale. Assorbanza (A) Utilizzata quando l attenzione è concentrata sulle proprietà del materiale A log 0 log T Per convenzione, si utilizza il logaritmo in base 10.

12 Legge di Lambert-Beer Le leggi di Lambert e di Beer vengono combinate per descrivere il fenomeno dell attenuazione della luce da parte di una soluzione. Vediamo come le due quantità fotometriche standard (trasmittanza ed assorbanza) possono essere scritte in termini della legge di Lambert-Beer: 10 0 c x Trasmittanza Assorbanza T T 0 10 c x A A log cx 0 log T

13 Strumentazione spettroscopica Spettrometro: misura vs λ. Misura semplicemente lo spettro della luce (es. Spettroscopia di emissione). Spettrofotometro: misura / 0 vs λ. Misura come il campione modifica lo spettro della radiazione (es. trasmissione, riflettività, diffusione, fluorescenza). Tutti gli spettrofotometri contengono uno spettrometro. -metro: il rivelatore è elettronico -grafo: l intensità luminosa è registrata su pellicola fotografica -fotometro: misura / 0 senza selezionare λ.

14 Reticolo di diffrazione fentitura Spettrofotometro Misura l assorbanza in funzione della lunghezza d onda Componenti: sorgente di luce, monocromatore, cella campione, rivelatore, sistema ottico. monocromatore Cella portacampione rivelatore Sorgente luminosa

15 Controllo e acquisizione da PC Spettrofotometro monocromatore rivelatore campione sorgente luminosa Siete in grado di identificare il reticolo e le fenditure di ingresso e di uscita?

16 Sorgenti di luce Sorgenti a spettro continuo Sorgenti a spettro discreto

17 Radiazione termica e legge di Planck Evidenza sperimentale: i corpi riscaldati emettono radiazione Radiazione termica presente in una certa cavità a temperatura T Densità spettrale di energia dv v 8 v 3 c 2 e hv dv 1 hv kt Energia totale Etot T 4 emissività corpo nero = 1 (caso ideale) corpo grigio 0 < < 1 (caso reale) Wm K 8 2 4

18 Lampade a filamento Le lampade a filamento di tungsteno sono usate laddove è necessario disporre di uno spettro ampio che si estende dal visibile al vicino infrarosso. l passaggio di corrente elettrica (effetto Joule) riscalda un filo di tungsteno a sufficienza da diventare incadescente (intorno a circa 2700 K si ottiene una luce di colore quasi bianca ). Lampade alogene: usano sempre un filamento di tungsteno, ma contenuto in un involucro più piccolo di quarzo (se fosse di vetro fonderebbe) contenente un gas alogeno (es. odio) che limita il processo di esaurimento per evaporazione del filamento, permettendo anche temperature più elevate (anche maggiori di 3000 K).

19 Sorgenti con spettro continuo Lampade con spettro tipo corpo nero Lampade a scarica in un gas (deuterio, xenon, mercurio)

20 Lampade spettrali e fluorescenti Le lampade spettrali sono comunenemente impiegate come sorgenti stabili di righe spettrali discrete, relative a spettri atomici di specifici elementi (es. metalli, gas, etc.). La purezza spettrale delle lampade a scarica è molto buona grazie alla elevata purezza dei metalli/gas contenuti. Gli atomi sono eccitati a stati energetici più elevati, da cui poi decadono emettendo la radiazione caratteristica, dal flusso di corrente elettrica che si stabilisce durante la scarica.

21 Emissione e Assorbimento h h h E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 E 2 h h h h h h h h hn n Out Out Out h h h E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 E 1 (a) (a) (a) Absorpt ion ion ion(b) (b) (b) Spontaneous emission (c) (c) (c) Stimulated emission Assorbimento Emissione Absorption, spontaneous spontanea (random photon) emission stimolata and and and st imulated emission S.O. S.O. S.O. Kasap, Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) Hall) Emissione Fluorescenza (LED) Radiazione laser

22 Light Emitting Diode (LED) Lunghezze d onda da 350 nm a 1300 nm Tipiche tensioni di alimentazione comprese tra 2 e 3 DC volts, con corrrenti di decine di ma.

23 LED Strutture ad emettitore laterale Le eterogiunzioni di materiali semiconduttori sono efficaci nel confinare l emissione luminosa e nel limitare gli effetti di autoassorbimento: il materiale con più alto bandgap non assorbe la luce emessa da quello a più basso bandgap. Altri strati (cladding) servono a realizzare una vera e propria guida d onda. L emissione è più confinata e non soffre del problema dell angolo critico.

24 nversione di popolazione n condizioni di equilibrio i sistemi fisici tendono ad occupare livelli energetici più bassi. E 2 N 2 E 1 N 1 Se, fuori equilibrio, si realizzano condizioni per cui N 2 > N 1, questa è essenziale perchè il processo di emissione stimolata prevalga sulla spontanea (guadagno). E 2 N 2 E 1 N 1 Ovviamente le condizioni di fuori equilibrio si ottengono (e mantengono) a spese di un sistema esterno (pompaggio).

25 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER Dispositivo basato sul fenomeno dell emissione stimolata, i cui componenti sono fondamentalmente tre: 1. Mezzo attivo 2. Sistema di pompaggio 3. Cavità risonante Cavità Mezzo attivo Radiazione laser Pompaggio

26 Cavità Risonante Guadagno + Retroazione = Laser

27 Diodo Laser Laser a semiconduttore Sono simili agli altri laser (p. es. a gas He-Ne o a stato solido Rubino ) nel senso che la radiazione emessa è monocromatica con alto grado di coerenza spaziale e temporale ed alta direzionalità. Vi sono tuttavia differenze: Transizioni radiative avvengono tra livelli atomici discreti (laser convenzionali), tra stati di banda (semiconduttori); Laser a semiconduttore molto compatto (~0.1 mm o meno), con regione attiva < 1mm divergenza fascio più elevata; Caratteristiche spaziali e spettrali influenzati dalle proprietà della giunzione (bandgap, indice di rifrazione); Pompaggio assicurato dal passaggio di una corrente diretta di giunzione che può essere facilmente modulata e quindi modulare ad alte frequenze la radiazione laser.

28 Caratteristiche elettro-ottiche Semplificando si può dire che un laser a semiconduttore è simile a un Led con l aggiunta di una cavità risonante ottica.

29 Diodi Laser Emissione di forma ellittica e con una pronunciata divergenza Necessità di un sistema ottico correttivo (lente o sistemi di lenti)

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